一種全自動下車支腿調平系統

蘇亮 熊憶 段娟香 艾國棟

長沙中聯消防機械有限公司 湖南長沙 410300

1 前言

在分秒必爭的火災救援現場，消防設備快速進入工作就緒狀態，對于提升救援效率，減少損失，意義重大。裝備一鍵式自動操作系統能夠減少操作步驟，同時，高效、穩定的自動操作過程也可以節省人工操作的耗時，減少動作完成時間，從而提升整體功能的易用性、快速性，具有積極的意義。

2 現有車輛下車支腿調平系統

目前，現有的車輛下車支腿調平方式有兩種,手動調平方式和自動調平方式。其中，手動調平的方式耗時長，依賴熟練的操作人員，不利于提高消防作業效率。

自動調平的方式也有如下問題：

a.車身本身存在變形，調平結束后，下車實際平整度得不到保證；

b.在不同的路面情況下，自動調平適應能力弱，有可能出現垂直油缸到底后無法結束調平的情況；

c.調平結束后，四個垂直支腿雖然觸地，但是各支腿如果只是觸地，而不是均衡承受車身質量，在上裝轉動時，質心變化會導致各支腿受力的變化，弱支撐支腿很可能因為受力進一步減小而離地，造成虛腿的現象，影響整車安全性。

針對上述諸多問題，筆者設計開發了一種全面優化的下車自動調平控制系統，通過改進檢測方式及判定條件，運用分步調節結合模糊PID控制的調平方法，并結合支腿反力的修正調節，全方位地提升自動調平的實際效果，通過對試驗車調試與測試結果分析，驗證了該系統的可靠性。

3 自動調平系統的構成

常見的支腿設計結構如圖1所示，自動調平系統通過對支腿的伸出、收回狀態以及車輛的傾斜程度進行實時檢測，用控制器控制各支腿閥的動作，并對調平結果進行自動判定。

圖1 常見支腿結構

整個控制系統的構架如圖2所示。

圖2 下車自動調平控制系統框圖

系統為了解決車身形變造成傾角檢測數據不準確的問題，在車身前側增加單軸傾角傳感器，如圖3(b)中X2與X1一起，用于檢測左右側車身傾斜角度。車輛前側X方向調平參考X2數據，后側X方向上的調平參考X1數據，由于兩個傳感器分別安裝在副車架距離支腿很近的位置，檢測數據受車架變形扭曲的影響很小，確保了數據的準確性，從而規避了車架變形帶來的傾角誤差，保證了調平后支腿的平整度。

同時，將壓力傳感器替代接近開關，作為垂直支腿伸出到位的檢測方法，如圖3(b)中支腿末端四個黑色區域所示，壓力傳感器不僅可以判定支腿是否觸地，同時也能夠檢測支腿的受力大小。本系統利用壓力信號，在自動調平角度誤差滿足判定條件后，再對受力最小的弱支撐腿實施微調的伸出控制，提高弱支撐支腿的受力數據。此方式對車身角度基本無影響，卻能夠有效地改善三點強支撐的情況，為上裝的動作提供了穩定的支撐。

圖3 雙傾角傳感器及反力檢測設計

4 自動調平系統的控制策略

系統采用分步驟的調平方式，將自動調平分為五步，步驟如下：第一步，伸水平支腿，將支腿伸出到位；第二步，伸垂直支腿，將支腿伸出觸地；第三步，粗調平，快速通過傾角傳感器的X軸和Y軸來調節其中兩或三個支腿實現車身的基本水平；第四步，輪胎離地，撐起所有的支腿，直到輪胎離地；第五步，精調平，通過傾角傳感器的X軸和Y軸來調節其中的三個或者兩個支腿，將車身精準調整至設定水平。

圖4 車身傾斜四區間

如圖4所示，通過分析雙軸傾角傳感器的X軸和Y軸的輸入信號可以把車身平面分為四個區間，如當檢測到X＜0且Y＞0時，程序判斷車身向1區傾斜，以此定義后續流程中X、Y軸方向的正負。本方案中，定義前高后低為Y軸正向，右高左低為X軸正向，反之為負向。

整個車身調平的過程包括伸水平支腿、伸垂直支腿、粗調平、輪胎離地、精調平，整體工作流程如圖5所示。

各垂直支腿觸地后，都將停止動作等待所有支腿觸地，當系統檢測到水平支腿、垂直支腿伸出到位后，開始執行粗調平。調平過程中，任意一個支腿的伸出都將影響X軸和Y軸方向的角度數據，同時按照圖4中所表述的傾斜區間判定車身所處區間，對四個支腿進行單獨控制。

圖5 調平控制流程

由于四個支腿中任一支腿的動作都將對車身角度產生影響，從而影響其他三個支腿的輸出數據，因此，四個支腿同時動作的屬性決定了彼此之間互為干擾，而單純的PID控制器依賴精確的數學模型，在數學模型不精確的情況下，將降低系統控制性能，同時無法很好地控制超調[1]。使用過程中，往往會將支腿撐得太高導致油缸達到行程極限無法完成調平。針對這種情況，引入模糊PID控制算法。模糊控制是基于模糊集理論、模糊語言和模糊邏輯推理的一種智能控制方法。模糊PID控制是將模糊理論應用到PID控制系統中，從而構成模糊PID控制器[2]，用于控制調平過程中出現過調的現象，同時保證調平的快速性。在粗調平和精調平的過程中，應用模糊PID調節方法，并設置不同的誤差允許值。

同時，在輪胎離地過程中，為了保證輪胎離地信號，保證每一個支腿至少以一定的速度撐起，精調平時，將下車調平的允許誤差加入判斷，允許誤差設置為±0.5°，只有當兩個軸向的誤差都小于允許誤差，才能判定下車調平，最后檢測四個支腿反力數據，對支腿反力最小的支腿進行單腿伸出控制。

5 試驗分析

以53 m云梯消防車作為試驗對象，并采集下車調平相關的傾角及垂直支腿閥開口等數據，通過人工操作、常規自動調平、改進自動調平的方式采樣數據并進行效果的比對。試驗用53 m云梯消防車如圖6所示。

圖6 試驗用53 m云梯消防車

表1 第一組試驗對比數據

表2 第二組試驗對比數據

從兩組試驗的對比數據如表1、2所示， 從表中可以看出，手動操作模式通過人推動機械手柄桿操作支腿動作，由于不能同時自如地操控幾個支腿，調平耗時較長，且調平后整車平整度無法保證，為了保證精度則需要更長的調整時間。常規自動控制模式第一組調平完成后，單個支腿弱支撐的現象明顯，對上裝的動態穩定性支持較弱；第二組測試時出現了調平不成功的現象，暴露了控制算法的缺陷，可靠性較低。而改進的自動調平模式在時間、精度、受力均勻性上都有很好的效果。

再對比兩種自動調平的過程，如圖7所示。為了方便數據比對，實現時間軸同步，將傾角數據及支腿PWM值列入同一張表中，為了方便觀察，僅選取一組X軸數據，觀察調平角度變化。圖7中，X、Y軸零點在1 000附近，視為調平目標值。從圖7可以看出，在調平開始時，水平支腿伸出引發質心的變化導致X、Y軸數據的波動；12 s左右，水平支腿伸出到位，四個垂直支腿伸出；25 s左右，支腿觸地開始調平，后續調平過程中，X軸方向出現過調的現象，四個支腿控制電流波動較大。

圖7 常規自動調平數據

圖8顯示采用模糊PID控制方法的調平，圖中后段可以看出，整個車身撐起過程穩定，粗調平、精調平過程中各支腿控制電流曲線平滑，X、Y軸數據能夠快速趨近零點值，且相比常規調平方式，耗時更短。

圖8 改進算法控制調平數據

6 結語

本文設計了一種全面的支腿全自動調平控制系統，設置兩個傾角傳感器檢測車身角度，解決了車身形變導致檢測誤差對調平精度的影響；采用分步式模糊PID調平控制策略，將整個過程分成五步，在垂直支腿調平過程中，逐級將車輛調整至目標狀態，最后，在不影響車身角度的前提下，輔助以支腿反力數據，對弱支撐垂直支腿進行單獨微調整。相較于常規方法，本系統具備調平實際精度更高、調整時間更短、過程平穩、地面條件適應能力更強、一次調平成功率更高、支撐更可靠等多種優點。同時，本方案并不局限于消防車的應用場景，可以滿足任何需要配備自動調平功能的支撐平臺，具備較高的應用價值。